Analog Devices
Entwicklung von isolierten, softwarekonfigurierbaren E/A-Kanälen
Bei der Entwicklung von isolierten E/A-Systemen für Industrieanwendungen müssen einige Eckdaten wie Verlustleistung, Datenisolierung und Formfaktor berücksichtigt werden. Ein softwarekonfigurierbarer Ein-/Ausgabe-Baustein kann dabei unterstützen.
Mit Hilfe eines softwarekonfigurierbaren Ein-/Ausgabe-Bausteins und dessen zugehörige isolierte Powermanagement- und Datenlösung lassen sich Industrieanwendungen auf Systemebene auf einfache Weise entwickeln. In diesem Beitrag werden die Vorteile der Betrachtung auf Systemebene bei der Entwicklung eines einzelnen ICs sowie die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme der vorgestellten Lösung zu optimieren, erläutert.
Bild 1 zeigt eine Systemlösung, die mit dem einkanaligen, softwarekonfigurierbaren E/A-Bauteil AD74115H und der Powermanagement-Einheit ADP1034 von Analog Devices aufgebaut ist, und die Anforderungen bezüglich Leistungsaufnahme, Isolierung und Abmessungen erfüllt. Die Lösung vereint die Versorgungs- und Datenisolierung im ADP1034 mit der Softwarekonfigurierbarkeit des AD74115H und bietet somit die Möglichkeit, ein isoliertes, einkanaliges E/A-System mit nur zwei ICs und minimaler externer Beschaltung zu entwickeln.
Lösung auf Systemebene
Beim ADP1034 handelt es sich um eine isolierte Powermanagement-Einheit (PMU), die einen isolierten Flyback-DC/DC-Regler, einen invertierenden DC/DC-Abwärts/Aufwärts-Regler und einen DC/DC-Abwärtsregler mit drei isolierten Spannungsausgängen vereint. Darüber hinaus enthält der Baustein sieben isolierte Digitalkanäle mit geringer Leistungsaufnahme. Über eine zusätzliche PPC-Funktion (Programmable Power Control) lässt sich die Spannung am Pin VOUT1 bei Bedarf über eine Eindraht-Schnittstelle anpassen.
UOUT1 liefert zwischen 6V und 28V zur AUDD-Versorgung des AD74115H, VOUT2 liefert 5V für die analoge Versorgungsspannung AUCC und digitale Versorgungsspannung DUCC. Damit kann bei Bedarf auch eine externe Referenz versorgt werden. VOUT3 liefert schließlich zwischen -5 V und -24 V zur AUSS-Versorgung.
Verlustleistung und Optimierung
Bei der Entwicklung von Kanal-zu-Kanal- isolierten Modulen müssen Entwickler im Wesentlichen einen ausgewogenen Kompromiss zwischen Verlustleistung und Kanaldichte eingehen. Bei ständig kleiner werdenden Modulabmessungen und zugleich steigenden Kanaldichten muss die Verlustleistung pro Kanal sinken, um im maximal zulässigen Verlustleistungsbudget des Moduls zu bleiben. Im hier beschriebenen Fall besteht das Modul aus den Bauteilen ADP1034 und AD74115H, die in Kombination isolierte Leistung, Datenisolierung und softwarekonfigurierbare E/A-Funktionen bereitstellen.
Was die Bauteile zur optimalen Lösung bezüglich geringer Leistungsaufnahme macht, ist die neuartige integrierte PPC-Funktion im ADP1034. Die programmierbare Leistungsregelung gibt Anwendern die Möglichkeit, die Spannung UOUT1 (AD74115H Versorgungsspannung AUDD) nach Bedarf anzupassen. Dies minimiert die Verlustleistung des Moduls bei geringer Last, insbesondere in der Betriebsart Stromausgang.
Bei aktiver programmierbarer Leistungsregelung sendet der Host-Controller im System den erforderlichen Spannungscode über die SPI-Schnittstelle an den AD74115H, welcher dann über eine serielle Eindraht-Schnittstelle (OWSI) an den ADP1034 weitergegeben wird. Die OWSI-Schnittstelle enthält eine zyklische Redundanzprüfung (CRC), um die Robustheit gegenüber elektromagnetischen Störungen in rauen Industrieumgebungen zu gewährleisten. Bei der Beispielberechnung für die Verlustleistung ist festzustellen, dass bei AUDD gleich 24 V und einer Last von 250 Ω bei einem Ausgangsstrom von 20 mA im Modul eine Leistung von insgesamt 748 mW umgesetzt wird. Verwendet man die PPC-Funktion, um die Spannung AUDD auf 8,6 V (Lastspannung + Reserve) zu senken, verringert sich die Leistungsaufnahme im Modul auf ~348 mW. Dies entspricht einer Leistungseinsparung von 400 mW innerhalb eines Moduls.
Beispielberechnung für die Verlustleistung
In den Beispielen 1 und 2 ist der Stromausgang selektiert und gibt 20 mA aus. Die Last beträgt 250 Ω, der A/D-Umsetzer ist in seiner Grundkonfiguration aktiviert und wandelt mit 20 Sample/s.
Beispiel 1 (Ohne PPC):
Ausgangsleistung des AD74115H = (AUDD = 24V) × 20 mA = 480 mW
Eingangsleistung des AD74115H = Ruhestrom des AD74115H (206 mW) + Leistungsaufnahme des A/D-Umsetzers (30 mW) + 480mW = 716 mW
Eingangsleistung des Moduls = 716 mW + Leistungsaufnahme des ADP1034 (132 mW) = 848 mW
Leistungsaufnahme der Last = (20 mA)² × 250 Ω = 100 mW
Gesamte Leistungsaufnahme des Moduls = Eingangsleistung des Moduls – Leistungsaufnahme der Last = 748 mW
Aus Beispiel 2 geht hervor, dass die Verlustleistung des Moduls auf 348 mW sinkt, wenn die PPC-Funktion aktiviert ist, um AUDD auf die erforderliche Spannung von (20 mA × 250 Ω) + 3,6 V Reserve = 8,6 V zu bringen.
Beispiel 2 (PPC aktiviert):
Ausgangsleistung des AD74115H = (AUDD = 8,6 V) × 20 mA = 172 mW
Eingangsleistung des AD74115H = Ruhestrom des AD74115H (136 mW) + Leistungsaufnahme des A/D-Umsetzers (30 mW) + 172 mW = 338 mW
Eingangsleistung des Moduls = 338 mW + Leistungsaufnahme des ADP1034 (100 mW) = 438mW
Leistungsaufnahme der Last = (20 mA)² × 250 Ω = 100 mW
Gesamte Leistungsaufnahme des Moduls = Eingangsleistung des Moduls – Leistungsaufnahme der Last = 338mW
Bild 2 veranschaulicht die gemessene Verlustleistung auf dem Board mit dem AD74115H bei 25 °C. Die Messung zeigt, dass die Verlustleistung geringfügig niedriger ist als die berechnete Verlustleistung. Dies wird von Bauteil zu Bauteil leicht variieren.
Bild 3 zeigt den Verlauf der Verlustleistung des Moduls (ADP1034 und AD74115) mit PPC (optimierte AUDD wurde für jeden Lastwiderstandswert programmiert) über den Lastwiderstand. An den Anschluss UINP des ADP1034 wurden zwei verschiedene Spannungen angelegt (15 und 24 V), um die Effizienz des ADP1034 zu zeigen. Die Messungen erfolgten bei 25 °C.
Bild 4 zeigt die Verlustleistung mit PPC (optimierte AUDD wurde für jeden Lastwiderstandswert programmiert) in Abhängigkeit des Lastwiderstands bei unterschiedlichen Temperaturen.
- Entwicklung von isolierten, softwarekonfigurierbaren E/A-Kanälen
- Anwendungsfall Digitalausgang
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